雨水利用技術與風險量化

鄺愛玲，徐 續

（中國城市建設研究院有限公司，北京市 100120）

0 引言

隨著社會的發展和工業化程度的提高，我國城市人口和城市面積急劇膨脹，城區及周邊地區的生態系統發生了顯著的變化，特別是對現有水資源和水環境造成了巨大的壓力。據統計[1]，在我國600多座城市中，有50%的城市缺水，其中108座嚴重缺水；另一方面，我國也是一個洪澇災害頻繁發生的國家，隨著水資源供求矛盾的加劇和水污染問題的日趨嚴重，水資源可持續利用已成為我國經濟社會發展的戰略性問題。長期以來，我國城市規劃中對水資源的綜合利用一直缺乏足夠的重視，尤其是對雨水，更多是強調排放而非利用。為解決這一矛盾，一方面，應該將雨水蓄積起來，減少洪澇災害的發生；另一方面，控制雨水的排放，減少水體污染，利用雨水水質較好的特點對雨水進行再利用，同時，也應該進行雨水回用風險評估，量化風險可能給人們帶來的影響或損失。

1 國內外雨水利用現狀

德國是開展雨水利用較早的國家，其雨水收集、處理、利用技術是世界上發展最快也是最先進的。德國不僅建立了一套較為系統的關于雨水利用的法律，而且在雨水利用方面已經走上了設備集成化道路。德國的雨水利用技術主要包括：屋頂雨水收集利用技術，滯留、入滲與回灌技術，雨洪調控技術。美國的雨水利用以提高天然入滲能力為宗旨，主要采用地下水回灌系統、入滲設施和透水鋪裝組成的地表回灌系統、地下隧道蓄水系統、屋頂蓄水系統等。日本是雨量充沛的國家，在城市屋頂修建了雨水澆灌的“空中花園”[2]，在減少城市地表徑流的同時，減少自來水的消耗，增加了城市的綠化面積，美化了城市環境，凈化了城市空氣，吸收了城市噪聲，還能夠降低城市的熱島效應。此外，收集的雨水不僅用于沖洗廁所、澆灑道路、灌溉綠地、補充冷卻水，還出口到別的國家[3]。國外在城市化地區進行雨水利用主要通過滯留和蓄積、雨水入滲和地下水回灌等途徑。

我國近代城市雨水利用起步較晚，目前主要在缺水地區有一些應用。大中城市的雨水利用還處于探索與研究階段，但已表現出良好的發展勢頭[4]。近幾年，我國許多城市如北京、上海、深圳等結合自身的具體情況開展了大量關于雨水利用的實驗室研究和現場工程應用。雨水利用系統收集的雨水主要用于以下途徑：處理后回用；通過下滲設施如下凹式綠地回補地下水；排放到下游雨水管道或河渠。

2 污染物來源及主要污染物

雨水主要包括屋面徑流和道路徑流。

屋面徑流污染物主要來源有：降雨對大氣污染物的淋洗、徑流雨水對屋面沉積物的沖刷、屋面材料自身析出等。因此，屋面徑流雨水水質主要影響因素包括大氣環境、降雨條件和屋頂材料。主要污染物為 TN、TP、懸浮固體（SS）、有機物（COD）、重金屬、無機鹽等。

道路徑流污染物主要來源有：徑流雨水對道路沉積物的沖刷、路面材料剝落、車輛泄漏、輪胎磨損、行人丟棄的垃圾、殺蟲劑和肥料的使用等。因此，影響城市道路徑流雨水水質的主要因素包括降雨量、降雨歷時、降雨強度、兩場降雨之間的時間間隔、路面材料、路面老化程度、路面清潔度及水土流失狀況等[5]。主要污染物為重金屬、氮磷營養物、SS、COD、油和脂、多環芳烴（PAHs）等。

3 單介質過濾研究

濾料根據其材質可以分為無機濾料和有機濾料。衡量濾料性能的指標主要包括：濾料的粒徑和級配、濾料的納污能力、濾料的孔隙率和比表面積、濾料的機械強度和化學穩定性。近年來國內外在水處理中廣泛采用的濾料有沸石、陶粒、爐渣、果殼濾料、果殼活性炭、椰殼活性炭。

沸石濾料是一種硅酸鹽礦物質，化學式可表示為Mx/yAlxSiyO2(x+y)P·H2O，化學成分一般可認為是由Al2O3、SiO2、H2O和金屬陽離子4部分構成。沸石作為一種新型的水處理劑，具有廉價、無毒、可再生等優點，水處理工藝中常用其作為吸附劑，但它同時還兼具有離子交換劑和過濾劑的作用。天然沸石屬于輕質濾料，具有表面粗糙、比表面積大、吸附能力強、視密度小等特點。

陶粒濾料主要成分為偏鋁硅酸鹽，表觀為近似球形不規則顆粒。陶粒對水中污染物的去除機理主要有：截留、吸附、生物絮凝和氧化。陶粒濾料表面粗糙，比表面積大，孔隙率高，強度高，密度適宜，多微孔，孔徑大小不規則，化學和物理穩定性好，不含溶解于水的有害物質等特點。

爐渣的主要成分為 SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO 等，是電廠鍋爐、各種工業及民用鍋爐、爐窯排放出的煤炭燃燒固體廢棄物。在煤炭燃燒過程中其孔隙中會進入大量空氣，冷卻后空氣又逸出，使得生成的爐渣具有多孔結構。由于爐渣中含有Al2O3、Fe2O3、CaO等堿性氧化物，這些堿性氧化物與待處理水接觸后會部分溶出，所以對待處理水中的有機物、重金屬、懸浮物具有一定的吸附、過濾、中和及絮凝作用[6]。

果殼濾料具有多方面性和微孔性，截污能力強，對油和懸浮物去除率高；具有多棱性和不同粒徑，可形成深床過濾，增強了除油能力和濾速；具有親水不親油性能和適宜的密度，易反洗，再生能力強。果殼濾料硬度大，且經過特殊處理不易腐蝕，不用更換濾料等特點。

果殼活性炭具有孔隙結構發達，比表面積大，吸附能力強，機械強度高，床層阻力小，化學穩定性好，易再生，經久耐用等特點。

椰殼活性炭孔隙結構發達，比表面積大，吸附性能好，且吸附速度快、吸附容量高；機械強度高，不易磨損和破碎；椰果活性炭密度比水小，會長時間懸浮在水中，因此與水接觸面積大，對水凈化效果好，只有當活性炭吸水飽和后才會逐漸沉入水底；易于再生，經久耐用等。

研究表明，沸石、陶粒、爐渣、果殼活性炭、椰殼活性炭對雨水中各污染指標的去除性能強弱順序如下。PO3-4：椰殼活性炭＞果殼濾料＞陶粒＞果殼活性炭＞爐渣＞沸石；氨氮：椰殼活性炭＞沸石＞果殼濾料＞陶粒＞果殼活性炭＞爐渣；硝酸鹽氮：果殼活性炭＞爐渣＞沸石＞椰殼活性炭＞果殼濾料=陶粒；COD：椰殼活性炭＞沸石=陶粒＞果殼活性炭＞爐渣＞果殼濾料；Cu：椰殼活性炭＞果殼活性炭＞爐渣＞沸石＞果殼濾料＞陶粒；Cr：果殼活性炭＞椰殼活性炭=果殼濾料＞爐渣＞沸石＞陶粒。6種濾料對Cd和Pb的去除效果都不好，所以不同濾料針對不同污染物才有較好的去除性能，如果處理對象為多種污染物，就需要幾種介質復合后共同來完成。

4 復合介質多級過濾研究

由于砂土基本沒有吸附作用，但有較強的滲透性能和截留作用，所以在復合介質多級過濾中將砂土選做過濾介質中的一種。以下是幾種組合方案對雨水污染物去除率的研究。

10 cm 砂土 +40 cm 沸石對氨氮、Cu、Cd、Cr、Pb的去除效果比10 cm砂土+40 cm陶粒好，但前者不如后者對去除效果好，二者對COD的去除效果都不好。與單獨沸石和陶粒相比，上部加入10 cm砂土后，其對污染物的去除性能都提高了。

10 cm砂土+20 cm沸石+20 cm陶粒和10 cm砂土 +40 cm 1∶1 沸石陶粒混合物對 SS、TP、、TN、氨氮、硝酸鹽氮、COD、Cu、Cd、Pb 的去除率基本相同，表明無論采用沸石與陶粒分層填裝，還是采用混合后填裝，其對各種污染物的去除效果影響不大。

10 cm砂土+10 cm爐渣+15 cm沸石+15 cm陶粒和10 cm砂土+10 cm爐渣+20 cm沸石+10 cm椰殼活性炭對 SS、TP、、TN、氨氮、硝酸鹽氮、COD、Cu、Cd、Cr、Pb 的去除率基本相同，且變化趨勢基本一致。

由于每種過濾介質都只對特定的某一種或幾種污染物有較好的去除性能，所以要根據去除對象來選擇介質復合方式。介質復合的流程可根據圖1確定，雨水收集處理的一般流程見圖2。

5 復合介質多級過濾的雨水回用風險評估

由于降水受多種因素共同影響，降水量多少、城市徑流水質都具有隨機性。從過濾介質特性來講，介質具有選擇吸附性，每種過濾介質只對某種或某幾種污染物有較好的去除效果。從雨水回用途徑來講，不同回用途徑對水質要求不同，要求越高，越難達到。所以，復合介質多級過濾的雨水回用存在一定的風險。因此，應量化風險可能帶來的危害或損失，為開展更廣泛的雨水利用提供依據。

圖1 介質復合方式選擇流程圖

圖2 雨水收集處理流程圖

研究表明，單介質用于雨水過濾處理時，只有椰殼活性炭對磷的去除可以達到低風險級，果殼濾料對磷的去除可以達到中風險級，其他均為高風險級。可見，采用單介質凈化雨水以達到各種回用途徑是不可能的。

復合介質多級過濾用于雨水回用處理，當回用水用于生活雜用水時，水質要求較低，由于城市徑流雨水中溶解性固體和氨氮含量本身低于回用標準，只有濁度超標，而經復合介質多級過濾后的雨水濁度均小于1，所以認為不存在回用風險，即雨水回用作生活雜用水的風險為0。

復合介質多級過濾用于雨水回用處理，當回用水用于工業用水時，三種方案對總磷的去除都可以達到低風險級，所以工業回用時總磷是沒有風險的，但各方案對COD的去除都達不到低風險級，所以三種方案處理后的雨水回用于工業用途時風險等級為中級。

復合介質多級過濾用于雨水回用處理，當回用水用于景觀用水時，三個方案用于去除SS和總磷的風險等級均為低級，所以城市徑流雨水經三種復合方案的任意一種處理后用于構造水景觀風險都很低。

復合介質多級過濾用于雨水回用處理，當回用水用于地表回灌和地下回灌時，只有采用10 cm砂土+40 cm沸石處理后，雨水用于回灌風險等級可以達到中級，其它兩個方案處理后的雨水用于回灌均為高風險等級。

6 問題與建議

由于各種介質和各種復合方案對氨氮和COD的去除效果都不太好，不能保證都達到中級回用風險等級，所以需要尋找更好的介質和復合方案用于加強對氨氮和COD的去除，使其達到回用的低等級風險。

[1]楊瑞平，李玉玨.雨水資源在城市中的利用[J].山西水土保持科技，2002,2（2）：23-24.

[2]劉俊良.城市節制用水規劃原理與技術[M].北京化學工業出版社，2003.

[3]李釗.對我國城市雨水利用的思考[J].水資源研究,2011,32(2)∶4-5,18.

[4]潘安君,張書函,陳建剛,等.城市雨水綜合利用技術研究與應用[M].北京∶中國水利水電出版社,2010.

[5]蔣德明,蔣瑋.國內外城市雨水徑流水質的研究 [J].物探與化探,2008,32(4)∶417-420.

[6]F.Chazarenc,J.Brisson,Y.Comeau.Slag columns for upgrading phosphorus removal from constructed wetland effluents [J].Water Science&Thchnology.2007,56(3)∶109-115.